“双碳”背景下工业供配电系统设计与节能技术

杜 伟

（国网安阳供电公司， 河南 安阳 455006）

0 引言

随着碳排放量的增加，环境问题日益严重。基于此，中国明确提出2030 年“碳达峰”与2060 年“碳中和”的“双碳”目标，并将其作为我国长期转型发展战略。在工业供配电系统中大量接入新能源发电模块并在配电终端增加新能源发电占比，是完成“双碳”目标背景下节能减排的重要前提，实现工业供配电系统从高碳电力输出向低碳电力输出、零碳电力输出的转变[1]。“双碳”目标背景下，工业供配电系统的设计需要统筹考虑高渗透的新能源接入配电网带来的不稳定因素，并在设计建设中重点考量碳排放机理、碳水平表征等项点，进一步促进工业供配电系统向低碳化、清洁化转型。

1 工业电力使用现状

我国电力资源综合利用率较低，能源结构配置不合理，且长期以煤炭为主，造成我国碳排放较多。在能源消费构成中，2013—2023 年，燃煤类产品的消耗占比约为56%～61%，石油类产品的消耗占比约为16%～22%，天然气类产品的消耗占比约为1.6%～2.7%，电能消耗比例在2022 年达到49.9%，其余能源比例约为0.2%。

根据相关统计，2022 年，我国终端电量消费累计为46 882 亿kW·h，而工业用电量高达35 341 亿kW·h，在总体用电中份额较高。从工业用电内部架构看，2013—2023 年，有色金属制造、化工燃料及产品制造等占比较高，且持续上涨，如表1 所示。

表1 2013—2023 年国家工业行业电能使用情况

2 “双碳”目标背景下工业供配电系统建设关键技术

2.1 预测技术

“双碳”目标背景下，新能源发电迅速成长，由之前的替补性发电发展升级为主体性发电。新能源因其成本低、无污染和产电质量高等优势，在供用电市场上被广泛采纳，规模也越来越大。传统火力发电机组在引入低碳技术进行改造的同时，将主要用于调节等辅助性生产活动[2]。但是，新能源发电的高占比并网以及柔性输电方式的大力使用，改变了配电网原有的潮流分布，供用电设备发生显著变化，难以保证供电系统的稳定性，制约着低碳发电技术进一步发展。因此，急需采取BP 网络、小波变换和深度学习等技术对供配电系统的供用电负荷进行预测，科学调配电力系统中的电量分布，保障电力系统运行的稳定性，为解决“双碳”目标背景下工业供配电系统预测问题提供可靠途径。

2.2 碳水平表征评估

碳水平表征在双碳背景下是衡量工业供配电系统碳水平指标的关键参数，对其进行深入研究是设计低碳工业供配电系统评价体系的基础，常用的方法主要有排放因子法、实际测量法和质量平衡法等[3]。

1）排放因子法：采用系统碳排放清单中的影响因子进行计算，最终获得碳水平表征参数：

式中：EC为碳排放量；M为燃料消费量；ρ 为影响因子；γ 为燃料热值。

2）实际测量法：利用现场安装的监测设备实时采集现场的碳排放具体信息，以便高效率获取数据，实测法采集信息的过程直接简便、数据准确可靠，是应用最为广泛的一种方法。

3）质量平衡法：在质量守恒定律的前提上，采集工业生产投入及产出相关信息数据，根据采集的数据推测出碳排放量。质量平衡法目前拥有一些研究成果，但并未建立起统一的理论体系。

当前，工业供配电系统的碳排放机理探究仅限于供配电系统的运行阶段，尚未牵涉到供配电系统的前期施工及安装等方面的碳排放量。科学的碳水平表征和预测需要依据系统的整个生命周期及碳排放工作机理，并结合工业供配电系统的实时运营特性，进行合理的低碳系统的规划。怎样将影响碳水平表征及预测评估的各项参数具体量化，是当前值得深入探索的问题。

“双碳”目标背景下，工业供配电系统的低碳评价体系如图1 所示，主要对时间角度和空间角度进行展开。时间层面上，碳评价体系包含了工业供配电系统整个生命周期中运用、分配等多个生产环节，且碳排放贯穿于每一个生产环节，需要仔细考虑。空间层面上，碳评价体系包含了工业供配电系统发电侧、输电侧和供电侧等流程，需要具有成本低、灵活性好、平稳可靠和能耗小等特点。

图1 工业供配电系统低碳评价体系

2.3 低碳电力市场

低碳电力市场是工业供配电系统的较常见的运用场景之一，但目前缺乏标准的市场交易体系，很多交易行为不规范。碳交易与电力市场呈现正相关联系，因此，结合我国电力行业实际情况进行低碳电力市场建设是设计工业供配电系统的基础。需要在工业供配电系统的配电网架构的设计时满足低碳输出、排放的硬性要求。

3 “双碳”目标背景下工业供配电系统设计

配电网正常运行是工业供配电系统向客户做好电力服务的前提，配电网是连接电力供给侧与客户消费侧的中间环节，维持着发电及供配电动态平衡。配电网是工业供配电系统在“双碳”目标背景下转型的基本前提，因此，本文设计并搭建了工业供配电系统配电网模型。

随着新能源发电高渗透性地并入到配网系统中，工业供配电系统中供电侧、电网侧和用户侧的各种能量流的耦合度以及双向能量流动度均呈现出加重的特点[4]。与传统电力系统配电网设计理念相比，“双碳”目标背景下，工业供配电系统同样是以实际应用场景、规划设计目标和系统约束条件作为前提，结合工业供配电系统的动态运行特性，搭建能够对其运行特征实施精准刻画的数学模型，通过该模型得到最优解，进而获得系统的约束条件。该设计方案结合工业供配电系统的技术特点，从低碳排放的角度对工业供配电系统配电网进行设计，设计框架如图2 所示。

工业供配电系统配电网设计模型一般来讲都是一个基于投资变量的设计问题，主要由目标函数和约束条件进行控制，计算公式如下：

式中：T为时间规划尺度；M为电力设备类别；N为电力设备设计数量；Pt为电力设备的成本折旧参数；δ1为与供配电系统容量及拓扑结构关联的运行约束条件；δ2为与供配电系统运行参数关联的运行约束条件；δ3为与供配电系统运行稳定性约束条件；Um，n，t为供配电系统设计投资控制变量；Vm，n，t为供配电系统运行控制变量；Wm，n，t为供配电系统电力设备容量的控制变量。这些变量均是工业供配电系统配电网设计基础模型的控制变量。目标函数α（Um，n，t，Vm，n，t，Wm，n，t）统筹考虑了配网系统设计的经济成本、运行稳定和低碳排放等因素。

该设计模型对工业供配电系统配电网的设计型式提出了最基本的要求，在解决某工业企业具体的设计问题时，要结合项目实际情况进行实施，在满足低碳条件的前提下对投资变量、运行约束以及目标函数等适时进行差异化的调整。

4 工业供配电系统节能对策分析

4.1 提高供用电设备的功率因数

采用无功补偿技术可以有效降低工业供配电系统的无功输出，提高电力设备的功率因数，减小电能损失，提高电力能源的有效利用率。通过控制配网的无功输出功率，来控制整个工业供配电系统的电力总容量、操作规模等，充分调用现有供用电设备，提升系统有功电流的输出份额[5]。工业供配电系统引入无功补偿技术后，设备的工作功率与额定功率基本一致，配网中的各供用电设备工作稳定，在外界条件正常的情况下，可以输出稳定且高速的功率，提高设备的功率因素。通过加大有功比重，降低无功输出，可以提高工作效率，最大程度降低电能损失。

4.2 采用智能化用电监控节能管理

为了对工业企业用电设备进行有效监控及节能管理，需要引入DCS 系统（分散控制系统），该系统自动化控制水平较高，能及时监测工厂设备动态运行数据，实现工厂供用电运营信息综合管理，控制电力能源消耗量，推动电力资源的合理利用，最大程度减少电能耗损。一旦发生设备故障，DCS 系统也会有预警提示，通知检修人员第一时间到达现场进行处理，减少故障停运时间，提高生产效率。

4.3 引入变频技术

变频技术是工业供配电系统节能减排中的一种新技术，依托于自动化控制技术、计算机软件技术等，主要是依据电机转速与输入之间的比例数值f，通过改变电机电源的f 值来调节电机的速度，实现电能资源的合理利用。据实际调研，2021 年，我国电机总耗电量约为30 000 亿kW·h，工业供配电系统电机用电量在全国总用电量中占比约为63%。但是，目前我国高效率低能耗的电机在市场中占比仅为10%左右，我国在用的各类电机数量约为11 亿台。因此，高效率低能耗电机的市场潜力很强。工业供配电系统采用变频技术充分降低了电机在生产工作过程中能源损耗，为企业节约资源的同时，也创造了经济利益。

5 结语

在“双碳”目标背景下，如何做好工业供配电系统设计与节能分析工作是社会关注的热点。本文从工业企业供配电使用现状入手，基于“双碳”目标背景下工业供配电系统建设关键技术，对“双碳”目标背景下工业供配电系统进行设计，并对工业供配电系统节能对策进行分析，以期推动工业供配电系统朝着低碳化、清洁化方向发展，实现企业经济效益与节能降损的共赢。